[發(fā)明專利]檢測測氣室中氣體特性的傳感器元件

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201210127449.5
• 申請日: 2012-04-27
• 公開（公告）號: CN102759555B
• 公開（公告）日: 2017-11-14
• 發(fā)明（設(shè)計）人: D.海曼
• 申請（專利權(quán)）人: 羅伯特·博世有限公司
• 主分類號: G01N27/407
• 分類號: G01N27/407;G01N27/409
• 代理公司: 中國專利代理(香港)有限公司72001
• 代理人: 周鐵,林森

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種制備用于檢測氣室中氣體的至少一種特性的傳感器元件的方法以及可按該方法制備的傳感器元件。

背景技術(shù)

由現(xiàn)有技術(shù)已知多種用于檢測測氣室中氣體的至少一種特性的傳感器元件和方法。其基本上可涉及所述氣體的任意物理特性和/或化學(xué)特性，其中可檢測一種或多種特性。下面特別是以定性和/或定量檢測氣體的氣體成分，特別是以檢測氣體中的氧含量來描述本發(fā)明。該氧含量例如可以分壓和/或百分?jǐn)?shù)的形式檢測。但也可或附加地檢測該氣體的其它特性。

例如這類傳感器元件也可設(shè)計成所謂的λ探頭，如在Konrad Reif (出版者)：Sensoren im Kraftfahrzeug, 1. Auflage 2010, 第160-165頁中已知的。用寬頻帶λ探頭，特別是用平面的寬頻帶λ探頭例如可大范圍測定廢氣中的氧濃度，并由此推斷出燃燒室中的空氣-燃料比。空氣系數(shù)λ描述了該空氣-燃料比。

由現(xiàn)有技術(shù)特別已知陶瓷傳感器元件，其基于應(yīng)用某些固體的電解特性，即基于這些固體的離子導(dǎo)電特性。這些固體特別是陶瓷固體電解質(zhì)，例如二氧化鋯(ZrO₂)，尤其是釔穩(wěn)定的二氧化鋯(YSZ)和/或鈧摻雜的二氧化鋯(ScSZ)，其可含少量氧化鋁(Al₂O₃)和/或氧化硅(SiO₂)添加物。氧化釔(Y₂O₃)的含量通常為4-5摩爾%。在此的問題是，在這類固體電解質(zhì)箔或固體電解質(zhì)層情況下，會由于機(jī)械負(fù)荷或由溫度差產(chǎn)生的應(yīng)力導(dǎo)致出現(xiàn)裂紋。尤其是所謂的低溫降解效應(yīng)即在低溫下機(jī)械強(qiáng)度特性惡化可導(dǎo)致傳感器元件和由此導(dǎo)致λ探頭的缺陷。這種效應(yīng)在低于400℃的運行溫度下出現(xiàn)，并且基于在低于此溫度下四方相二氧化鋯轉(zhuǎn)變成單斜相二氧化鋯，其中在相變時發(fā)生體積增大。這種膨脹可導(dǎo)致傳感器陶瓷破裂。

為避免這種現(xiàn)象，已知通過在固體電解質(zhì)箔的表面上有盡可能高含量的二氧化鋯的立方相或穩(wěn)定的四方相可降低低溫降解。實現(xiàn)這點的可能性是，研磨經(jīng)燒結(jié)的含由氧化釔穩(wěn)定的二氧化鋯的表面，以致在該表面上四方二氧化鋯轉(zhuǎn)變成單斜二氧化鋯。在于1200-1400℃下接著的熱處理中，該形成的單斜晶粒轉(zhuǎn)化為非常細(xì)晶形的四方晶粒，后者由于其小的粒度而非常耐受低溫降解。其缺點是，控制和監(jiān)控研磨步驟是較耗費的。特別是難以達(dá)到均勻的硏磨結(jié)果，即平的工件表面。同樣還已知，直徑小于300 nm的細(xì)晶形的四方晶粒極其穩(wěn)定，難以轉(zhuǎn)變成單斜相。這種結(jié)構(gòu)的制備是較耗費的過程，并且難以構(gòu)成均勻粒度。由此原因，曾試圖提高基底陶瓷中的氧化釔含量，如在DE 10337573 A1中所述，由此總的來說達(dá)到四方相或立方相的較高的二氧化鋯含量。

雖然現(xiàn)有技術(shù)已知的制備用于λ探頭的傳感器元件的方法有眾多優(yōu)點，但這些方法還有改進(jìn)的潛力。例如最后提及的方法包括的技術(shù)困難是，增加基底陶瓷中的氧化釔含量會導(dǎo)致差的燒結(jié)行為和由此導(dǎo)致降低的機(jī)械強(qiáng)度。

發(fā)明內(nèi)容

因此本發(fā)明提出一種制備用于檢測氣室中氣體的至少一種特性的傳感器元件的方法以及可按該方法制備的傳感器元件，其至少大程度避免已知方法和傳感器元件的缺點，并至少降低上述的低溫降解。

該方法包括優(yōu)選按所述順序的下列步驟：

- 提供至少一層含由氧化釔穩(wěn)定的二氧化鋯的內(nèi)固體電解質(zhì)層，

- 在該內(nèi)固體電解質(zhì)層上施加至少一層由含氧化釔材料制成的外層，其中該外層比內(nèi)固體電解質(zhì)層含更高含量的氧化釔，和

- 共同燒結(jié)該內(nèi)固體電解質(zhì)層和外層。

該傳感器元件例如可制成指型探頭或平面探頭，尤其是制成平面λ探頭，即例如可制成具有層狀結(jié)構(gòu)的λ探頭。例如可實現(xiàn)躍變探頭和/或?qū)掝l帶λ探頭。

本發(fā)明的思路在于，在作為基底的含二氧化鋯的內(nèi)固體電解質(zhì)層上，至少在其后或接著的方法步驟中提供了電極或電極引線的區(qū)域中施加或涂覆至少一層盡可能薄的含高含量氧化釔的層，以使優(yōu)選僅在表面上主要呈非常高的氧化釔含量。接著對該兩層進(jìn)行共同燒結(jié)。在燒結(jié)中通過在基底表面上的高氧化釔含量優(yōu)選產(chǎn)生穩(wěn)定的立方或四方的二氧化鋯，該二氧化鋯在低于400℃時的傳感器元件運行中在轉(zhuǎn)變成單斜相方面是穩(wěn)定的。

特別是可如下制備平面的層狀結(jié)構(gòu)的傳感器元件：提供或配置具有以氧化釔穩(wěn)定的二氧化鋯的至少一層內(nèi)固體電解質(zhì)層，并在其上施加或涂覆至少一層由含氧化釔的材料組成的外層，其中該外層的氧化釔含量比內(nèi)固體電解質(zhì)層中的含量更高，并且共同燒結(jié)該內(nèi)固體電解質(zhì)層和外層，以使在外層中產(chǎn)生或形成立方二氧化鋯或四方二氧化鋯。